2021年10月5日，氣象學家真鍋淑郎和氣象學家克勞斯·哈塞爾曼因對「地球氣候的物理建模、量化變化和可靠地預測全球變暖」的貢獻，被授予諾貝爾物理學獎。全球變暖是一個不爭的事實，也給人類社會帶來了重大的影響和挑戰，人類從來沒有像現在這樣對地球系統如此關切，我們都生活在同一個地球，地球系統的變化將決定人類命運最終走向何方。12月14日（周二）晚間的地球系統科學讀書會第一期，我們邀請到了地球系統科學的倡導和踐行者，氣候學家陳德亮（Deliang Chen）教授來為大家介紹地球系統科學的發展歷史和面臨的主要挑戰。
陳德亮教授是瑞典哥德堡大學 August Röhss 講席教授，先後當選為瑞典皇家科學院院士，中國科學院外籍院士，發展中國家科學院院士。在區域氣候與大氣環流的關係、氣候動力學及氣候變化領域作出了突出貢獻，參與和領導了多個國際計劃和組織，是具有全球視野的戰略科學家，在世界科學界有着重要影響和地位。
研究領域：地球系統科學，氣候變化，區域氣候變化，氣候動力學
地球系統是由大氣圈、生物圈、冰凍圈、地層圈、海洋圈有機組成的一個複雜的非線性系統，各個組分之間相互影響並同時作用，決定了地球系統的靜態與動態運行機制。在地球自然的演變過程中，地球系統也在不斷發生變化，但是隨着人類對自然的擾動強度和頻率不斷加大，人類活動對於地球系統的影響也越來越顯著，其中以全球變暖為主要特徵的氣候系統尤為顯著。
地球系統的複雜性決定了氣候系統研究的複雜程度，其中包含大大小小很多的問題，比如大氣的運動特徵、氣候變化的歸因，大氣污染等。研究大氣的狀況, 特別是人類活動對於氣候所造成的影響，可以幫助我們深入理解人與環境的關係；研究地球系統如何運作，氣候變化對於社會有何影響，可以幫助我們發展科技並且規劃下一步的行動。我們基於地球系統科學研究，一方面可以通過制定政策達到減少釋放溫室氣體，減緩氣候變化造成的危險，另一方面可以提高人類社會對氣候變化的適應性，這對於實現地球系統的可持續性發展具有重要意義。
地球表面被一層由氮氣（約78%）、氧氣（約21%）、氬氣（約0.9%）、二氧化碳（0.04%）和其他痕量氣體組成，稱之為大氣層或大氣圈。地球大氣層是隨着地球的形成而逐步演變的，經過幾十億年的不斷演化，才成為今天的狀態。大氣中發生的各種自然現象，即某瞬時內大氣中各種氣象要素（如氣溫、氣壓、濕度、風等）空間分布的綜合表現，就是我們日常熟知的天氣。受到太陽輻射，緯度、海拔、地形等不同因素的影響，短期大氣也一直處於不穩定的運動狀態，所以我們常看到天氣變化莫測。氣候也是大氣的狀態分布，但是與天氣不同，它主要是指長時間內氣象要素和天氣現象的平均或統計狀態，時間尺度為月、季、年、數年到數百年以上，因此氣候具有一定的穩定性。但氣候的穩定性是相對而言的，隨着太陽輻射的變化、地球軌道的變化等自然因素的影響，也會逐漸發生改變，但是自然因素引起的地球氣候變化一般在較長的時間段內發生，而且存在明顯的周期性。自第一次工業革命以來，人類開始了大規模的使用化石燃料，導致大氣中的溫室氣體如二氧化碳等濃度不斷升高，遠遠超過自然的變化速率。與此同時，人們也逐漸發現，地球大氣的溫度也在逐漸變暖。為了全面科學評估全球的氣候變化，以陳德亮為領銜作者的聯合國政府間氣候變化專門委員會在2021年發布了第六次氣候變化評估報告（IPCC. Climate change 2021）[1]。其中顯示，基於最新的觀測數據，相對於 1850-1900 年，2001-2020 年這20年平均的全球地表溫度升高了0.99 ℃，而 2011-2020 年10年平均的全球地表溫度已經上升約 1.09 ℃，而上一次有如此高幅度的溫升，還要追溯到12.5萬年前。IPCC報告同時還指出從未來20年的平均溫度變化來看，全球溫升預計將達到或超過1.5℃。在區域尺度上，氣候的變化也是顯而易見的。比如青藏高原地區，作為核心的高山地區，青藏高原是地球上除南極、北極之外冰川分布最廣泛的地區，也是亞洲十大主要河流的發源地，有「亞洲水塔」之稱。陳德亮多年來深度參與青藏高原第三極研究，以他為主的科學家評估了過去五十多年青藏高原地區的氣候環境變化[2]，發現過去50年青藏高原地區的增溫速度是全球平均水平的一倍，而且高原降雨量也在不斷增加，冰川融化加速，「亞洲水塔」 正在發生顯著變化。圖1. 1850-2020 年間全球地表溫度觀測（黑色線條）、模擬的人類活動與自然因子共同強迫（淺褐色線條及陰影）以及僅有自然因子強迫（綠色線條和陰影）引起的變化[1]
在全球尺度上，IPCC報告[1]還評估了人類活動是否影響和如何影響氣候變化，報告指出相較於1850-1900年平均，人類活動造成的2010-2019 年全球平均地表溫升的可能範圍為 0.8~1.3 ℃，最佳估計值為 1.07 ℃；其中均勻混合的溫室氣體很可能貢獻了 1.0~2.0 ℃的升溫，其他人類活動（主要是氣溶膠）可能導致了0.0 ℃到 0.8 ℃的降溫。而在區域尺度上，以中國為例，陳德亮最新的研究論文[3]系統總結了人類活動對中國氣候變化的影響，文章指出中國過去幾十年的增暖速率相對全球平均明顯要快，以溫室氣體排放為主的人類活動，是過去中國平均氣溫和極端溫度變化的主要原因。這些工作加深了人類活動對於氣候所造成的影響的認識。為國際社會減少溫室氣體排放，減緩氣候變暖速率提供了重要的科學參考。全球變暖的大趨勢已經非常明顯，這給人類生活的環境帶來顯著的變化。比如氣候變化引起全球冰川快速退縮，對流域水資源和社會-生態系統產生深遠影響。對此陳德亮[4]最新的研究評估了1980-2100年全球冰川水資源重要補給區融水和人口變化的（不）匹配性及其共同產生的機遇和/或風險。結果表明大多數情景預估冰川融水的服務潛力和補給區人口均在一定時期內持續增加，直到達到峰值後才逐漸下降；但融水的服務潛力和人口變化並不匹配，因此給不同時期流域社會經濟的發展帶來機遇和/或風險。文章也建議相關國際組織、政府管理部門等利益相關者應以彈性思維在不同流域和時期採取靈活而差別化的措施抓住機遇、規避風險。當冰川融水服務潛力增加時，可通過有效規劃和相應的工程措施來充分利用水資源以改善區域人民福祉；同時也要主動做好有效適應來應對融水拐點的下降，特別是流域還面臨人口增加的情況下。氣候變化不僅是針對氣候平均狀態的變化而言，而與此引發的極端天氣氣候事件也在呈現快速增加，全球範圍內高溫、暴雨、強風等極端天氣事件給人類社會的影響極為嚴重，特別是生活必須的基礎設施如交通系統、電網、能源供應等。陳德亮近期的研究[5]提出了一種考慮低衝擊變化和極端事件的隨機魯棒優化方法，同時考慮到未來氣候條件的變化（包括極端天氣事件的頻率、持續時間和強度的增加），通過將該方法應用於瑞典的30個城市進行實證性分析，結果顯示極端天氣事件可能導致電力供應可靠性下降，最高達16%，但升級用於設計分布式能源系統的方法可以幫助將可再生能源的整合提高到瑞典大多數主要城市的年需求的30％以上。文章指出當可再生能源技術的普及水平提高時，極端氣候事件的影響將變得越來越具有挑戰性，但人類對氣候變化影響的適當量化將確保能源系統的穩健運行，並可進一步促進可再生能源的發展。圖2. 人類社會整合可再生能源技術應對城市能源系統變化的氣候恢復力（以瑞典30個城市為例）[5]
當然氣候變化給人類社會帶來的也不都是負面的影響，比如中國西北地區一直以來都給人「乾旱苦寒」的印象，但近幾十年來，寒冷乾旱的西北正在不斷變暖變濕。西北暖濕化使得整體植被覆蓋在不斷增長，許多荒漠地區開始出現植被。不僅僅是西北。全球整體的趨勢也是一樣，全球陸地植被都在增加。氣候變化的事實以及給人類社會的影響已經逐漸成為共識，氣候變化科學也在被社會需求、技術發展等因素不斷驅動。但解決氣候變化問題，提高人類社會對氣候變化的適應性，實現人類社會的可持續發展，光靠氣候科學還是遠遠不夠的，還需要社會科學和人文科學的多學科的合作。作為地球系統的重要組成部分，氣候變化以及人類活動對氣候的影響在一定程度上反映了地球系統科學研究的複雜性和重要性。在過去幾十年裡，科學們開展了大量工作研究了地球系統是如何運行的，尤其是人類活動對地球系統的影響。隨着科學技術的不斷發展，我們能夠基本掌握人類活動是如何改變全球環境，以及這些環境變化是如何影響人類社會的生存和發展。到目前為止，全球環境變化率大大超越了人類社會的響應速度和應對能力，氣候變化、水循環、食物系統、海平面、生物多樣性、生態系統服務和其他等問題會破壞人類的穩步發展，造成飢餓、疾病、難民和窮困等人類嚴重的災難。如果這種變化未加抑制或減緩，那將阻礙全球社會、經濟、環境的發展，甚至使其發生倒退。面向全球可持續發展，陳德亮等科學家在國際學術期刊《Science》總結了未來地球科學系統研究面臨的五大挑戰——預測、觀測、限制、響應和創新[6]，具體為：開展、增強和融合觀測系統，管理全球和區域的環境變化確定如何預測、識別、避免和管理破壞性的全球環境變化確定什麼樣的機構、經濟活動以及行為變化可以影響全球可持續發展的腳步在發展技術、政策方面鼓勵創新（加上健全的評價機制），以便實現全球可持續發展的社會響應這些重大挑戰提供了一個全面的研究框架，但是目前人類所掌握的知識，一般僅僅支持針對地球系統某一個領域的研究活動，並提供了所需的基礎，但遠遠沒有達到可以支持綜合解決方案的水平。因此地球系統科學研究人員需要開展一些更新穎更迅速的創新行動，同時需要更多針對性的研究來解決相關的問題，以此使人類更深刻地認識地球系統是如何運作的，提高我們預測未來風險模式的能力。此外還需要在全世界範圍內，增進人類所面臨的社會環境危險的認識，探討克服可持續發展障礙的社會變革方式，提高人類社會應對地球系統變化的能力，以努力實現在全球環境變化背景下的人類社會可持續發展。張鋼鋒，北京師範大學系統科學學院，應急管理部-教育部減災與應急管理研究院「勵耘」博士後，助理研究員。兼任西班牙國家科學研究委員會、瑞典哥德堡大學客座研究員。集智俱樂部「地球系統科學」讀書會發起人。目前主要研究方向為氣候變化與自然災害，地球系統科學與深度學習。[1] IPCC. Climate change 2021: the physical science basis[M/OL]. 2021[2021-08-06].https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#FullReport[2]國務院新聞辦公室。《西藏高原環境變化科學評估》報告. http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/2015/20151119/xgbd33811/Document/1455866/1455866.htm[3]Sun Y, Zhang X, Ding Y, et al. Understanding human influence on climate change in China[J]. Natl Sci Rev, 2021. nwab113,https://doi.org/10.1093/nsr/nwab113[4]Su B, Xiao C, Chen D, et al. Mismatch between the population and meltwater changes creates opportunities and risks for global glacier-fed basins[J]. 2021.https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.027[5]Perera A T D, Nik V M, Chen D, et al. Quantifying the impacts of climate change and extreme climate events on energy systems[J]. Nature Energy, 2020, 5(2): 150-159.[6]Reid W V, Chen D, Goldfarb L, et al. Earth system science for global sustainability: grand challenges[J]. Science, 2010, 330(6006): 916-917.
從加拿大極端熱浪，到德國的洪災，從澳大利亞的森林大火，到中國河南的特大暴雨，極端天氣已經成為新常態。氣候變化正以我們所能感知的態勢發生着。2021年諾貝爾物理學獎的一半被授予氣象學家真鍋淑郎和氣象學家克勞斯·哈塞爾曼，「以表彰對地球氣候的物理建模、量化變化和可靠地預測全球變暖」，表達了對人類命運的關切，也展現出從複雜系統視角研究地球氣候環境的必要性。
12月14日（周二）20:00-22:00的地球系統科學讀書會第一期，我們邀請到了地球系統科學的倡導和踐行者，氣候學家陳德亮（Deliang Chen）教授來為大家介紹地球系統科學的發展歷史和面臨的主要挑戰。
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